水泥固化重金屬污染膨脹土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉蔡靜　劉暢　劉佳偉　劉翔　趙江

摘 要 膨脹土是一種高塑性黏土，在我國(guó)分布非常廣泛，如果沒(méi)有有效措施來(lái)處理此類(lèi)土，將會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重危害，對(duì)人們的生活造成極大影響。本文為探尋水泥固化不同重金屬污染膨脹土的力學(xué)性質(zhì)的區(qū)別和效果差異，進(jìn)行了掃描電鏡實(shí)驗(yàn)和擊實(shí)等試驗(yàn)，以此來(lái)測(cè)定膨脹土的膨脹率、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等性質(zhì)，最終總結(jié)出水泥對(duì)不同重金屬污染膨脹土的固化效果及對(duì)固化后膨脹土力學(xué)性能的改良。

關(guān)鍵詞 膨脹土 重金屬污染 水泥固化 力學(xué)性能 膨脹性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU521 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0055-03

1 前言

膨脹土在我國(guó)大陸分布廣泛，江蘇、安徽、湖北、四川、廣西、河南、陜西、云南、貴州等地均有不同范圍的分布，這些地區(qū)膨脹土受到不同程度的污染，導(dǎo)致組成結(jié)構(gòu)受到影響，進(jìn)而改變了地質(zhì)性質(zhì)。在膨脹土地基地區(qū)，若不對(duì)膨脹土進(jìn)行加固，可能會(huì)造成不可挽救的地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞。膨脹土受到重金屬粒子污染后存在著諸多弊端，如抗剪強(qiáng)度低、抗壓性能弱等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究分析，發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)受重金屬離子污染的膨脹土的固化效果明顯優(yōu)于其他一些固化材料[1]。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，分析污染膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，討論不同重金屬離子對(duì)于固化后膨脹土的影響。

2 試驗(yàn)材料及基本組成

試驗(yàn)用土取自安徽合肥市某工地，土為深紅色，對(duì)其做基本常規(guī)土工試驗(yàn)。膨脹土的內(nèi)部組成成分通常是粘土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物的主要成分包括石英（SiO2）、云母及長(zhǎng)石。

膨脹土可以按照粘土礦物分為兩大類(lèi)：

一類(lèi)是以細(xì)粒的蒙脫石為主，另外一類(lèi)則是以高嶺土和伊利石土為主。一旦膨脹土的含水量有所增加，蒙脫石類(lèi)的粘土就會(huì)出現(xiàn)膨脹。通常情況下，粗粒（碎屑礦物）的含量在膨脹土中是有限的，正因?yàn)槭沁@樣，粗粒對(duì)膨脹土的脹縮性質(zhì)的影響并不會(huì)很大。相反，細(xì)粒部分的蒙脫石礦物才是影響膨脹土工程性質(zhì)的主要因素。

3 膨脹土的物理性質(zhì)

膨脹土的脹縮性相對(duì)于其他粘土來(lái)說(shuō)較強(qiáng)。膨脹土常常呈現(xiàn)斑狀，并且絕大多數(shù)的膨脹土內(nèi)部含有鈣質(zhì)或者鐵錳質(zhì)。膨脹土中的裂隙一共有三種形式，分別是水平裂隙、豎向裂隙和斜交裂隙。在距離地表1～2米之處，常常會(huì)出現(xiàn)豎向的裂隙。張開(kāi)裂隙面呈油脂或者蠟狀的光澤，有時(shí)則會(huì)有擦痕或者水漬，還有鐵錳氧化物薄膜等。

如果按照膨脹性分類(lèi)的話(huà)，膨脹土可以分為三種，包括弱膨脹、中膨脹還有強(qiáng)膨脹。引起膨脹土發(fā)生變化的條件主要是：含水率、干容重。當(dāng)膨脹土中的含水量增加時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生垂直和水平兩個(gè)方向上的體積膨脹，土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)迅速降低，對(duì)工程項(xiàng)目有較大隱患。干容重是膨脹土的一項(xiàng)重要指標(biāo)，膨脹土的干容重與它的天然含水量有關(guān)。

總的來(lái)說(shuō)，膨脹土的變化既有它內(nèi)在的因素存在，也有外在的因素。內(nèi)在因素主要就是膨脹土它本身發(fā)生的膨脹和收縮性能，而外力因素則是壓力和含水率的變化。對(duì)于建筑工程師來(lái)說(shuō)，他們只有準(zhǔn)確地把握并控制好影響膨脹土變化的因素和條件，才有可能把控在建造房子或地基時(shí)發(fā)生的狀況，并提前擬出應(yīng)對(duì)措施。

4 膨脹土的力學(xué)性能

4.1 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

影響因素：重金屬離子種類(lèi)、離子濃度、養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)期齡。

（1）土壤中的各類(lèi)的重金屬離子對(duì)土壤的潛在抗壓強(qiáng)度有深遠(yuǎn)影響。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)重金屬離子的濃度比較低時(shí)，鉛離子污染固化的膨脹土所具有的強(qiáng)度會(huì)低于鎘離子污染固化的膨脹土所具有的強(qiáng)度。所以，在不同濃度的重金屬離子種類(lèi)的影響下，水泥的固化的速率也會(huì)有所不同，且影響的程度對(duì)于不同的金屬種類(lèi)也會(huì)有所不同。

（2）通常情況下，由于之前的實(shí)驗(yàn)提出猜想，一般膨脹土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)受到重金屬離子濃度的影響[2]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果表明膨脹土的抗壓強(qiáng)度會(huì)跟隨重金屬離子的數(shù)量的增加而增加，因此可以看出離子的濃度越高，對(duì)強(qiáng)度的影響也就會(huì)越大。

（3）由于養(yǎng)護(hù)齡期的不同，對(duì)于強(qiáng)度也會(huì)有一定程度上的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，在水泥加入后，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，發(fā)生過(guò)程所用的時(shí)間也不同，而且有些離子在非常特殊的情況下如堿性條件，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后其中會(huì)生成膠狀氧化物沉淀，其強(qiáng)度會(huì)有所提高，且不同時(shí)期的效果不同。

（4）根據(jù)過(guò)往的研究表明，水泥的摻量會(huì)對(duì)膨脹土抗壓強(qiáng)度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)研究之中，大量離子在經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)以后，多部份吸附生成沉淀物，使膨脹土的強(qiáng)度增加。

4.2 抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律

影響因素：重金屬離子濃度、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期。

（1）為了研究不同濃度的影響，鉛污染擴(kuò)散土壤的內(nèi)部摩擦角隨著鉛離子濃度的增加而降低[3]。結(jié)果表明，鉛離子濃度的增加會(huì)降低土壤抗剪強(qiáng)度指數(shù)，產(chǎn)生的化合物將粘結(jié)在水泥表面，從而阻礙水化的進(jìn)程，進(jìn)而降低膨脹土的抗剪強(qiáng)度。

（2）對(duì)不同水泥摻雜量下受污染土壤膨脹率進(jìn)行了直接檢測(cè)，受污染膨脹土擴(kuò)張的剪切強(qiáng)度指標(biāo)與水泥摻雜量之間有很大關(guān)聯(lián)，水泥加入后，可擴(kuò)張土壤抗剪的強(qiáng)度指標(biāo)得到改善，水泥變化速度有所放緩，但穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)仍在繼續(xù)。加入水泥后，其中的鎘離子趨于穩(wěn)定，隨后膨脹土形成了一種叫膠結(jié)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度性質(zhì)有了很明顯的改善。

（3）隨著時(shí)間的推移，鎘離子污染膨脹土細(xì)顆粒在生成的膠凝物[4]下聯(lián)結(jié)成整體，并且隨著樣品支持時(shí)間的增加，被鎘污染的土壤小顆粒形成，抗剪強(qiáng)度提升，膨脹土的膠合力和內(nèi)部摩擦的角度加強(qiáng)。

5 膨脹土的耐久性能

5.1 膨脹土的抗凍性能

伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)膨脹土存在的問(wèn)題越來(lái)越多。在工程建設(shè)中，季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)膨脹土不僅存在著浸水膨脹、失水收縮等因素誘發(fā)的問(wèn)題，還存在著在凍融循環(huán)作用下耐久性能的變化。多次凍融作用容易導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，而膨脹土作為一種特殊性的粘土，其變形性能和強(qiáng)度會(huì)隨著季節(jié)性?xún)鋈谘h(huán)而有所降低。

凍融循環(huán)嚴(yán)重影響土壤的理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)等，膨脹土的凍融破壞程度與凍融循環(huán)有關(guān)。其中可能的影響因素有：凍融循環(huán)的次數(shù)、凍融持續(xù)的時(shí)間和凍融的深度等。趙曉東[5]在封閉系統(tǒng)中對(duì)起始含水量較好的膨脹土進(jìn)行了凍融循環(huán)的試驗(yàn)，在研究后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度降低了24%，膨脹力也降低了10%。趙曉東等人在凍結(jié)褐色膨脹土指數(shù)地面減壓過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨軸向變形速率的衰減幅度與溫度梯度關(guān)系不大。許雷[6]等人在不同的凍結(jié)和融化時(shí)間通過(guò)無(wú)側(cè)限的壓縮試驗(yàn)測(cè)試了膨脹土的壓縮性，發(fā)現(xiàn)凍融時(shí)間與膨脹土的壓縮性存在正相關(guān)關(guān)系。時(shí)偉[7]等人研究了人工配置的高含水量指數(shù)膨脹土（26.3%），發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)融化循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦角、動(dòng)剪切模量和結(jié)合力等都有所衰減，而膨脹土阻尼出現(xiàn)增大的情況。膨脹土在不同的初始濕度且所有實(shí)驗(yàn)濕度都低于最佳濕度時(shí)的試驗(yàn)中，朱斯伊[8]等人發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，膨脹土的粘聚力先增加后減小，而摩擦角卻是不斷減小，剪切過(guò)程中應(yīng)變呈現(xiàn)硬化趨勢(shì)。

膨脹土土體強(qiáng)度[9]與膨脹土的凍融方案有著密切的關(guān)系，在凍融程度相同時(shí)或沒(méi)有凍融循環(huán)的條件下，膨脹土的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹土含水率的增加而迅速減小，而應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性增長(zhǎng)在初始階段通常隨著含水率的增加而減小;在中期隨著含水量的提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)也有所提高。由此可見(jiàn)，應(yīng)高度重視在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)膨脹土地基上的工程建設(shè)，在凍融循環(huán)過(guò)程中，膨脹土存在的劣化問(wèn)題也需得到高度重視。

5.2 膨脹土的抗震性能

我國(guó)大陸有很多多山且多地震的地區(qū)，此類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害給我國(guó)帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在膨脹土地基地區(qū)，若不對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行加固，就會(huì)造成不可挽救的地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞。在對(duì)膨脹土地基進(jìn)行加固后，會(huì)在很大程度上提高其抗震性能。

為了應(yīng)對(duì)膨脹土在地震等地質(zhì)作用下造成的結(jié)構(gòu)破壞，人們會(huì)對(duì)其進(jìn)行加固。目前已有的膨脹土加固系統(tǒng)有以下幾種：BPE模型、二階段黏滑本構(gòu)模型、三階段軟化型本構(gòu)模型等。然而，在大量的實(shí)驗(yàn)研究下，證實(shí)了BPE模型是不合理的，三階段軟化型本構(gòu)模型大部分用于理論實(shí)踐中。所以，在實(shí)際應(yīng)用中大多采用二階段黏滑本構(gòu)模型。

在地震作用下，膨脹土加固系統(tǒng)也會(huì)失效，主要造成其失效的原因有6種：砂漿和土體界面間的破壞、桿體和砂漿界面間的破壞、錨固體兩界面的破壞、錨固體被拉斷、錨固體被壓碎、錨固體被拔出。但是通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)造成膨脹土加固系統(tǒng)破壞的主要原因是界面間的黏性失效。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在實(shí)際加固模型中的大多是砂漿界面、土體界面和桿件，其三者共同協(xié)調(diào)以提高膨脹土的抗震性能。

6 影響因素

6.1 水泥摻量對(duì)膨脹土的影響

為了研究在固化重金屬污染過(guò)的膨脹土加入水泥的加入量對(duì)膨脹土的影響，本節(jié)對(duì)不同的水泥固化量固化的膨脹土進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)[10]。在分析圖像之后，得出結(jié)論：在加入水泥后，會(huì)在表面形成絮狀的薄膜再進(jìn)行放大，絮狀物為珊瑚狀的白色物質(zhì)。后期，隨著水泥加入量的增加，絮狀物[11]之間的間隙變得越來(lái)越小。對(duì)比分析之后，發(fā)現(xiàn)隨著水泥用量的不斷增多，污染過(guò)的膨脹土分子間的空隙減少，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的固化，變成一個(gè)整體，使分子間的力變大，強(qiáng)度提高。

6.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間污染膨脹土的影響

為了探究在固化重金屬污染過(guò)的膨脹土養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)膨脹土的影響，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間段的膨脹土進(jìn)行了掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，其中保持重金屬離子的濃度和水泥的加入量不變。在分析得到的圖像后發(fā)現(xiàn)：隨著時(shí)間的推移，分子間的間隙由最初的無(wú)填充物到最后絕大部分都被物質(zhì)填充，膠凝物質(zhì)的增多，強(qiáng)度也得到了提升。得出伴隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，污染膨脹土的強(qiáng)度也有所提高的結(jié)論。

7 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)南京地區(qū)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室預(yù)制的重金屬污染膨脹土，用水泥對(duì)其進(jìn)行固化，研究分析固化后重金屬污染膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，得到的結(jié)論如下：

（1）在進(jìn)行污染膨脹土的固化時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)等因素，采取水泥為固化劑，水泥的摻量會(huì)對(duì)膨脹土抗壓強(qiáng)度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關(guān)系。此外，大量離子在經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)以后，多部份吸附后生成沉淀物，使膨脹土的強(qiáng)度增加。

（2）重金屬污染后的膨脹土，伴隨著（Pt+，Cr2+，Cr3+，等）[12]離子濃度的增加，對(duì)強(qiáng)度的影響就越大，具體表現(xiàn)為黏粒含量迅速減小，自由膨脹率[13]也隨之減小。

（3）重金屬污染的膨脹土，干密度增加，抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯低于正常值，在定量水泥固化后，污染過(guò)的膨脹土分子間的空隙減少，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的固化變成一個(gè)整體，使分子間的力變大，污染膨脹土的力學(xué)性能得到提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李喜林，張佳雯，陳冬琴，等.水泥固化鉻污染土強(qiáng)度及浸出試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36（03）：979—983，990.

[2] 何建新，劉亮，楊力行，等.含鹽量與顆粒級(jí)配對(duì)工程土稠度界限的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31 （02）：85-87.

[3] 張倩.談?wù)勛杂膳蛎浡试囼?yàn)的局限性[J].交通運(yùn)輸研究，2004（04）：18，24-25.

[4] 熊海帆.膨脹土水泥改性試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[5] 趙曉東，周?chē)?guó)慶，李生生.不同溫度梯度凍結(jié)深部黏土偏應(yīng)力演變規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（08）：1646-1651.

[6] 許雷，劉斯宏，魯洋，等.凍融循環(huán)下膨脹土物理力學(xué)性能研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（02）：167-174.

[7] 時(shí)偉，張亮，楊忠年，等.凍融循環(huán)條件下膨脹土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，54（04）：480-485.

[8] 朱斯伊，王志儉，曹玲，等.凍融循環(huán)下荊門(mén)膨脹土剪切試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019， 41（03）：59-63.

[9] 莫菲蘋(píng)，程峰.重金屬污染物侵入對(duì)土體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2015，29（01）：114-118.

[10] 宋澤卓.重金屬污染土的工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)研究[J].山西建筑，2016（22）：91-92.

[11] 陳蕾，杜延軍，劉松玉，等.水泥固化鉛污染土的基本應(yīng)力-應(yīng)變特性研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（03）：715- 721.

[12] 許龍.重金屬污染土的固化修復(fù)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[13] 同[3].

3117500338271